[发明专利]纳米手环三氧化二铁/石墨烯量子点/二氧化锡核壳结构复合材料及其制备方法和电池应用

说明书

本发明提供了纳米手环三氧化二铁/石墨烯量子点/二氧化锡核壳结构复合材料及其制备方法和应用，首先合成纳米手环状的三氧化二铁，再吸附具有良好性能的石墨烯量子点，并在石墨烯量子点三氧化二铁的外层包裹上二氧化硅，最后通过二氧化锡的包裹，使二氧化硅溶解在溶液中，得到了核壳结构纳米手环三氧化二铁/石墨烯量子点/二氧化锡复合材料。这种内部为空心的纳米手环核壳结构，不仅在熏硫时可以容纳更多的硫活性物质，并且在充放电过程中核壳结构也可以有效的缓解硫的体积膨胀问题。与现有技术相比本发明在材料中吸附了石墨烯量子点，增加了稳定性和导电性；核壳结构有利于缓解硫的体积变化；复合材料具有吸附多硫化物的能力，抑制穿梭效应。

技术领域

本发明属于新能源材料技术领域，具体涉及纳米手环三氧化二铁/石墨烯量子点/二氧化锡核壳结构复合材料及其制备方法和应用，作为硫载体应用于锂硫电池正极及电池。

背景技术

在能源技术领域中，锂硫电池作为二次锂电池备受关注，和投入商业的锂离子电池相比，锂硫电池比能量更高(2600W·h/kg)，并且作为活性材料的硫成本更加低廉，使用时安全性更高，缓解电池在充放电过程中产生枝晶，增加电池的安全性，这些优点使得锂硫电池成为具有潜在发展前景的电池体系。

由于锂硫电池的优势，在此方向上的研究众多，但是硫的导电性差、在充放电循环期间体积高倍膨胀、反应过程由于中间产物多硫化锂(Li₂S_n，4≤n≤8) 的溶解和沉积导致严重的穿梭效应等，这些问题导致锂硫电池库仑效率低、循环性能差以及活性物质损失。从而限制了锂硫电池投入生产使用，不能适应实际生活中的需求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种纳米手环三氧化二铁/石墨烯量子点/二氧化锡核壳结构复合材料及其制备方法。首先合成纳米手环状的三氧化二铁，再吸附具有良好性能的石墨烯量子点，并在石墨烯量子点三氧化二铁的外层包裹上二氧化硅，最后通过二氧化锡的包裹，使二氧化硅溶解在溶液中，得到了核壳结构纳米手环三氧化二铁/石墨烯量子点/二氧化锡复合材料。这种内部为空心的纳米手环核壳结构，不仅在熏硫时可以容纳更多的硫活性物质，并且在充放电过程中核壳结构也可以有效的缓解硫的体积膨胀问题。

本发明还提供了纳米手环三氧化二铁/石墨烯量子点/二氧化锡核壳结构复合材料的电池应用，用于制作锂硫电池。以上述制备的纳米手环三氧化二铁/石墨烯量子点/二氧化锡核壳结构复合材料为原料熏硫后，制备的锂硫电池正极并组装成锂硫电池后，电池的循环稳定性好，循环100次后电池容量仍稳定在1007 mAh g^-1。

本发明具体技术方案如下：

纳米手环三氧化二铁/石墨烯量子点/二氧化锡核壳结构复合材料，包括以下步骤：

1)将铁源加入水中，继续加入pH缓冲剂，混合搅拌均匀，水热反应，得到纳米手环三氧化二铁；

2)取步骤1)制备的纳米手环三氧化二铁分散在水中，再加入石墨烯量子点溶液，分散均匀，水热反应，得到石墨烯量子点三氧化二铁；

3)将步骤2)制备的石墨烯量子点三氧化二铁分散于溶剂中，搅拌均匀后，加入氨水和硅源，混合，搅拌反应，即可得到纳米手环石墨烯量子点三氧化二铁/二氧化硅复合纳米材料复合材料；

4)将步骤3)制备的纳米手环石墨烯量子点三氧化二铁/二氧化硅复合纳米材料复合材料分散于溶剂中，加入尿素与锡源搅拌均匀，水热反应，得到纳米手环三氧化二铁/石墨烯量子点/二氧化锡核壳结构复合材料。

步骤1)中所述pH缓冲剂由硫酸钠与磷酸二氢钠组成；